白云飛

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 浙能麻家梁煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 朔州 036000）

山西寧武煤田麻家梁井田面積104.287 7 km2,目前主采山西組4 號煤層、未來將采掘太原組9 號煤層，為年產(chǎn)量1 200 萬t 的特大型煤礦。4 號煤和9 號煤采掘時承受的奧陶系上馬家溝組厚層灰?guī)r含水層水壓平均值為4.67 MPa，由于水壓較高致使2 個煤層開采時均不同程度面臨著底板奧陶系灰?guī)r突水的威脅。同時在地質(zhì)構(gòu)造和采煤擾動及高水壓聯(lián)合作用下，使得底板奧陶系灰?guī)r突水可能性大大增加。此次分別基于標(biāo)高比對法、斯氏公式法、突水系數(shù)法對煤層帶壓開采情況進(jìn)行了突水危險性評價。

1 區(qū)域巖溶含水層概況

麻家梁井田內(nèi)鉆孔揭露的含水層組最大厚度203 m，巖性以灰色、淺灰色石灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r為主，以溶隙和溶孔為主要形態(tài)。根據(jù)埋深分為上、中、下3 個含水層段。

上含水層段距奧陶系灰?guī)r頂界面約22.80 m，發(fā)育較穩(wěn)定，巖溶裂隙帶厚0.60 ～16.50 m。區(qū)內(nèi)鉆孔抽水試驗(yàn)及簡易抽水資料確定的單位涌水量在0.000 58 ～1.107 3 L/（s·m），該含水層段的富水性屬于弱—中等—強(qiáng)，具富水性不均一的特征滲透系數(shù)位于0.003 3 ～8.832 m/d，透水性屬于極弱—弱—中等程度。

中含水層段距奧陶系灰?guī)r頂界面23.75 ～57.00 m，發(fā)育不穩(wěn)定。巖溶裂隙帶厚0.80 ～11.20 m。從鉆孔沖洗液消耗量、巖芯采取率、物探測井及巖芯情況來看，該含水層段巖溶裂隙平面上發(fā)育不均一，總體上富水性弱。

下含水層段距奧陶系灰?guī)r頂界面約46.60 ～106.85 m，發(fā)育較穩(wěn)定。巖溶裂隙帶厚0.60 ～13.40 m。鉆孔抽水試驗(yàn)資料計(jì)算的單位涌水量1.049 L/（s·m)，富水性強(qiáng)，但平面上具分布不均勻的特征。

總之，奧陶系上馬家溝組含水層組巖溶裂隙的發(fā)育強(qiáng)弱不等，富水性平面上分布極不均一，垂向上具有分段性特征。到2020 年4 月9 日含水層組區(qū)域內(nèi)水位標(biāo)高為+1 028.52—+1 069.20 m，水壓在3.322 ～6.030 MPa；滲透系數(shù)介于0.003 3 ～8.832 0 m/d，上馬家溝組灰?guī)r含水層的透水性屬于極弱—弱—中等程度，單位涌水量0.005 8 ～1.107 3 L/（s·m)，屬于弱—中等—強(qiáng)，富水必分布不均一。

2 充水條件分析

2.1 底板擾動破壞深度

煤層底板擾動破壞產(chǎn)生的裂隙，既會縮小煤層與下伏含水層的有效隔水層厚度，也會降低底板巖層的隔水能力，從而造成底板含水層突水。同時，底板擾動破壞裂隙存在延展貫通原生構(gòu)造裂隙的可能，同時也可能使得原生構(gòu)造裂隙更為發(fā)育，從而誘發(fā)構(gòu)造突水。

煤層底板擾動破壞深度（Cp） 的估算一般也采用經(jīng)驗(yàn)公式法：

式中：L為工作面寬度，m。

采取2 種計(jì)算方法的最大值作為最終的底板擾動破壞深度，經(jīng)計(jì)算，麻家梁礦4 號煤層底板擾動破壞深度在17.26 ～30.37 m，均值為26.35 m。目前9 號煤層尚未開采，其值可比照4 號煤取值。

2.2 有效隔水層厚度分析

上馬家溝組含水層與4 號煤層之間由平均厚度123.19 m 的巖層相隔，為4 號煤層的間接充水水源。該含水層組對煤層采掘的影響決定于4 號煤層底至奧陶系灰?guī)r頂界面的距離，即底板隔水層厚度。經(jīng)計(jì)算后，4 號煤底板有效隔水層厚度均大于底板擾動深度，正常情況下4 號煤采掘受下伏馬家溝組厚層灰?guī)r含水層組的影響不大。但在地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育地帶，受采煤擾動的影響，存在上馬家溝組灰?guī)r含水層地下水突入采掘工作面可能。因此，4 號煤層采掘時須重點(diǎn)提防地質(zhì)構(gòu)造引起的底板突水。

上馬家溝組含水層與9 號煤層之間有鋁土質(zhì)泥巖相隔，為9 號煤的間接充水水源。底板隔水層厚度與底板擾動破壞深度差值即為9 號煤底板有效隔水層厚度，經(jīng)計(jì)算，9 號煤底板有效隔水層厚度均大于底板擾動破壞深度。但在底板擾動破壞作用下，9 號煤底板有效隔水層厚度變小并且?guī)r層隔水性能降低，一些地帶將難以承受上馬家溝組含水層高水壓的作用，導(dǎo)致底板突水事故的發(fā)生。其次，在地質(zhì)構(gòu)造展布地帶，其巖層中的斷裂和裂隙較為發(fā)育，一旦與底板擾動破壞裂隙貫通也會發(fā)生底板突水。另外，在采煤擾動作用下，巖層中的構(gòu)造斷裂和裂隙將更為發(fā)育，底板突水可能性將大大增加。因此，9 號煤層采掘過程中全時域受到底板奧陶系厚層灰?guī)r含水層地下水的突水威脅。

3 充水途徑分析

3.1 底板擾動破壞裂隙

4 號煤采掘底板擾動破壞深度在17.26 ～30.37 m，均值為26.35 m，其產(chǎn)生的裂隙將貫穿下伏的K4砂巖含水層，但由于K4含水層富水性弱，底板擾動破壞裂隙對4 號煤開采的影響不大。如9 號煤采掘底板擾動破壞深度也按26.35 m 計(jì)，其產(chǎn)生的裂隙將穿透下伏太原組巖層至本溪組巖層，使得底板高水壓奧灰含水層突水的概率大大提高。尤其是底板擾動破壞裂隙一旦與地質(zhì)構(gòu)造的斷裂和裂隙貫通也會誘發(fā)底板突水；同時采煤底板擾動將使地質(zhì)構(gòu)造的斷裂和裂隙更為發(fā)育，底板突水可能性將大大增加。因此，底板擾動破壞裂隙是9 號煤需要專門防治的導(dǎo)水通道。

3.2 斷層破碎帶

斷層的存在會使主采煤層與充水含水層的有效隔水層厚度縮小甚至直接對接，因此煤層采掘時對斷層須重點(diǎn)予以關(guān)注。麻家梁礦具有斷層比較發(fā)育的特征且局部地帶斷層分布較密集的特點(diǎn)。經(jīng)前期鉆探、地震和巷道等手段查明的斷層共有57 條，其中最大落差為300 m，其斷層落差大于4 號煤層底板隔水層厚度123.19 m，4 號煤層與奧陶系灰?guī)r含水層可能直接接觸。因此，在斷層附近開采4 號煤層時應(yīng)按規(guī)定留設(shè)防隔水煤柱或?qū)嵤┳{加固以防治斷層直接突水。井田內(nèi)落差大于9 號煤層底板隔水層厚度54.4 m 斷層共有5 條，9 號煤層與奧灰含水層對接的可能性很大。未來9 號煤采掘時，對于這些斷距較大的斷層應(yīng)采取留設(shè)防隔水煤柱、探放水、注漿加固等措施。

井田內(nèi)落差小于4 號煤底板隔水層厚度123.19 m 的斷層，造成煤層底板隔水層的有效厚度變小，加上灰?guī)r含水層富水性較強(qiáng)且水壓高，因此應(yīng)按0.06 MPa/m 突水系數(shù)并結(jié)合斷層要素，通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析確定是留設(shè)防隔水煤柱還是采取注漿加固措施。

其它斷層落差雖然小于9 號煤底板隔水層厚度54.40 m，但由于斷層將縮短煤層與奧陶系灰?guī)r之間的有效距離，破壞隔水巖層的完整性，尤其是底板擾動破壞疊加將使得奧陶系灰?guī)r含水層的突水威脅變大。因此，未來巷道和工作面布置、煤層回采等階段都必須重視斷層的探測和加固工作，以防突水事故的發(fā)生。

3.3 褶曲構(gòu)造裂隙

以往歷次勘探工作表明，麻家梁井田褶曲比較發(fā)育，共有規(guī)模不等的3 個向斜和5 個背斜，目前查明的褶曲有5 個，下石碣峪一王萬莊向斜、梨園頭向斜、麻家梁背斜、馬場背斜和二分廠向斜。在這些褶曲的軸部一般裂隙比較發(fā)育且相對富水，當(dāng)采掘過程中通過這些部位時有可能發(fā)生構(gòu)造裂隙突水事故。

已有研究證明，煤層頂板含水層在向斜軸部的富水性更強(qiáng)，而煤層底板含水層在背斜軸部的富水性更強(qiáng)，因此煤層采掘過程中在向斜軸部需重點(diǎn)防治頂板突水事故或做好涌（淋） 水量增大的準(zhǔn)備，而在背斜軸部需重點(diǎn)防治底板突水事故的發(fā)生。

另外，褶曲與斷層交叉復(fù)合部位的巖石比較破碎，應(yīng)加強(qiáng)這些部位的地質(zhì)、水文地質(zhì)、水文地球化學(xué)、地球物探探查工作，并系統(tǒng)分析所獲得的綜合信息，在采掘通過這些地帶時應(yīng)制定專門的安全措施。

4 主采煤層帶壓開采危險性評價

4.1 標(biāo)高比對法

根據(jù)各鉆孔奧灰水位標(biāo)高與4 號、9 號煤底板標(biāo)高，奧陶系上馬家溝組灰?guī)r含水層水位標(biāo)高與4號煤層底板標(biāo)高的差值在184.20 ～503.33 m，差值平均值為354.44 m，與9 號煤層底板標(biāo)高的差值在271.30 ～571.33 m，差值平均值為420.82 m，水位標(biāo)高均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于煤層底板標(biāo)高，因此全井田范圍內(nèi)4、9 號煤采掘時均屬帶壓開采，為可能突水區(qū)。

4.2 突水系數(shù)法

用突水系數(shù)來界定突水可能性時，將突水系數(shù)大于0 區(qū)域定義為煤層底板帶壓開采區(qū)，將突水系數(shù)值處于0～0.01 MPa/m 范圍區(qū)域定義為非突水危險區(qū)，將突水系數(shù)值大于等于0.01 MPa/m 區(qū)域定義為可能突水區(qū)。針對可能突水區(qū)，在構(gòu)造破壞地段，將突水系數(shù)處于0.01 ～0.06 MPa/m 范圍的區(qū)域定義為突水威脅區(qū)，在突水系數(shù)大于等于0.06 MPa/m 的區(qū)域定義為突水危險區(qū)。

根據(jù)奧陶系上馬家溝組灰?guī)r含水層的水壓和主采煤層底板隔水層厚度，經(jīng)計(jì)算36 個鉆孔的突水系數(shù)，4 號煤層底板奧陶系灰?guī)r含水層突水系數(shù)在0.021 ～0.056 MPa/m，平均值為0.038 MPa/m。9 號煤層底板奧陶系灰?guī)r含水層突水系數(shù)在0.049 ～0.152 MPa/m（僅一個鉆孔計(jì)算為0.049 MPa/m），平均值為0.087 MPa/m。根據(jù)判別準(zhǔn)則，4 號煤層均為可能突水區(qū)且屬于突水威脅區(qū)，9 號煤層均為可能突水區(qū)且大部分區(qū)域?qū)儆谕凰ｋU區(qū)。

4.3 斯氏公式法

工作面巷道掘進(jìn)過程中，當(dāng)巷道揭露斷層或底板隔水層厚度較薄時也存在突水可能。巷道底板突水可能性評價常用斯氏公式來計(jì)算。

式中：p為底板隔水層可承受的安全水壓，MPa；t為隔水層厚度，m；L為巷道寬度，m；γ 為底板隔水層的平均重度，MN/m3；Kp為底板隔水層的平均抗拉強(qiáng)度，MPa。

表1 煤層巷道底板隔水層可承受水壓計(jì)算表Table 1 Coal seam roadway floor aquifuge can withstand water pressure calculation table

斯氏公式計(jì)算表明，4、9 號煤層底板實(shí)際承受的水壓最大值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于允許承受的安全水壓。因此掘進(jìn)巷道雖然是帶壓的但屬于非突水危險區(qū)，正常情況下掘進(jìn)是安全的，主要威脅來自于揭露斷層的突水。

5 結(jié)論

（1） 麻家梁礦4、9 號煤層采掘時均處于帶壓開采狀態(tài)，屬可能突水區(qū)，且4 煤屬于突水威脅區(qū)，9 煤大部分屬于突水危險區(qū)。

（2） 無論是威脅區(qū)還是危險區(qū)均存在斷裂構(gòu)造突水的可能性，其中危險區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造突水的可能性更大。

（3） 生產(chǎn)實(shí)際中，可先用突水系數(shù)法對工作面底板突水危險性進(jìn)行評價，然后結(jié)合采掘情況，再用斯氏公式對掘進(jìn)工作面巷道所處位置進(jìn)行突水判識，若其中有一種方法得出有突水可能的結(jié)果，就必須采取防治突水措施。